KR101356862B1 - Optical transimpedance amplifier for optical receiver in a optical communication system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광통신 시스템에서 광수신기용 전치 증폭기 회로에 있어서, 광신호를 입력받아 광전 변환하여 전류 신호를 발생시키는 포토다이오드(PD: Photo Diode)와, 포토다이오드로부터 입력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 전치 증폭기(TIA: TransImpedance Amplifier)와, 전치 증폭기의 피드백 저항을 조절하는 자동 이득 조절부와, 포토다이오드의 병렬 캐패시터(Capacitor)의 전류를 저감하는 포토다이오드 병렬 캐패시터 저감부와, 전치 증폭기의 이득 증감에 따른 대역폭 증감 범위를 줄이는 대역폭 조정부를 포함한다.
광통신, 수광소자, 전치 증폭기, 비교기, 캐패시터, 대역폭
The present invention relates to a photodiode (PD) for receiving an optical signal and generating a current signal by photoelectric conversion in an optical communication system, and converting a current signal input from the photodiode into a voltage signal. Trans-Ampedance Amplifier (TIA), automatic gain adjuster for adjusting the feedback resistance of the preamplifier, photodiode parallel capacitor reduction unit for reducing the current of the parallel capacitor of the photodiode, and gain increase and decrease of the preamplifier It includes a bandwidth adjustment unit for reducing the bandwidth increase and decrease according to.
Optical communications, light receiving elements, preamplifiers, comparators, capacitors, bandwidth
Description
본 발명은 광통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 광통신용 광 수신기에서 수광 소자의 출력 전류를 전압으로 증폭하는 전치 증폭기(TransImpedance Amplifier) 회로 설계에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to optical communication systems, and more particularly, to a design of a pre-amp (TransImpedance Amplifier) circuit for amplifying the output current of a light receiving element into a voltage in an optical communication optical receiver.
일반적으로 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광 소자로 신호를 송신하고 포토 다이오드(Photo Diode)와 같은 수광 소자로 신호를 수신하는 통신 시스템을 광통신 시스템으로 부른다. 이러한 광통신 시스템은 방송 신호와 같은 대용량 데이터를 전송하기에 적합한 기술로서, 광통신 시스템의 대표적인 예로는 수동 광가입자망(PON: Passive Optical Network)을 들 수 있다. 수동 광가입자망은 하나의 중심국 송수신부(OLT: Optical Line Terminal)와 다수의 가입자 송수신부(ONT: Optical Network Termination) 사이에 광 분배부(Optical Splitter)를 개재하여 트리 구조의 분산 토폴로지(topology)를 형성한 가입자 망이다.In general, a communication system that transmits a signal to a light emitting device such as a laser diode and receives a signal to a light receiving device such as a photo diode is called an optical communication system. Such an optical communication system is a technology suitable for transmitting a large amount of data such as a broadcast signal, and a representative example of the optical communication system may be a passive optical network (PON). Passive optical subscriber network has a tree-structured distributed topology through an optical splitter between one central station transceiver (OLT) and multiple subscriber optical transceivers (ONT). This is a subscriber network.
상기 수동 광가입자망에서 상기 중심국 송수신부(OLT)는 예컨대, 아날로그 및/또는 디지털 방송 신호를 정해진 파장의 광신호로 변환하여 광분배부로 다중 화(Multiplexing)하여 전송하고, 상기 광분배부는 상기 중심국 송수신부(OLT)로부터 전달된 광신호를 다수의 가입자 송수신부(ONT)로 분배하여 전송한다. 상기 다수의 가입자 송수신부(ONT)는 수신된 광신호를 아날로그 및/또는 디지털 방송 신호로 광/전 변환하여 각 가입자의 도시되지 않은 셋탑 박스(Set Top Box)나 컴퓨터 장치로 전달하게 된다.In the passive optical subscriber network, the central station transceiver (OLT) converts, for example, an analog and / or digital broadcast signal into an optical signal having a predetermined wavelength, and multiplexes it to an optical distribution unit, and the optical distribution unit transmits the optical station. The optical signal transmitted from the transceiver (OLT) is distributed to the plurality of subscriber transceivers (ONT) and transmitted. The plurality of subscriber transceivers ONT optically converts the received optical signals into analog and / or digital broadcast signals and transmits them to a set top box or a computer device (not shown) of each subscriber.
여기서 상기 가입자 송수신부(ONT)내 광수신기(도시되지 않음) 즉, 광전 변환기는 일반적으로 중심국 송수신부(OLT)로부터 수신된 광신호의 광전 변환 시 출력 레벨을 안정되게 조절하도록 광신호의 세기를 검출하고, 검출된 광신호의 세기에 따라 광전 변환된 출력 신호의 이득을 조절하는 이득 조절 회로를 구비한다.Here, the optical receiver (not shown) in the subscriber transceiver ONT, that is, the photoelectric converter, generally adjusts the intensity of the optical signal to stably adjust the output level during photoelectric conversion of the optical signal received from the central station transceiver OLT. And a gain adjusting circuit for adjusting the gain of the photoelectrically converted output signal according to the detected intensity of the optical signal.
도 1은 일반적인 광통신 시스템의 광수신기에 구비되는 이득 조절 장치의 회로 구성도로서, 이는 예컨대, 수신된 광신호의 신호 세기를 측정하여 피드백 저항(R1, R2, R3)의 저항값을 단계적으로 조절하는 가변 이득 증폭 회로를 나타낸 것이다. 도 1의 장치는 미국 등록 특허 US 6,462,327(출원명: 'ANALOG OPTICAL RECEIVER AND VARIABLE GAIN TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER USEFUL THEREWITH', 발명자: Ezell et al., 출원일: 2001년 9월 27일)에 개시되어 있으며, 상기의 구성을 간략히 살펴보면 하기와 같다.1 is a circuit diagram of a gain control device provided in an optical receiver of a general optical communication system. For example, the signal intensity of a received optical signal is measured to gradually adjust the resistance values of the feedback resistors R1, R2, and R3. A variable gain amplifier circuit is shown. The device of FIG. 1 is disclosed in US Pat. The configuration is briefly described as follows.
즉 도 1의 회로는 수신된 광신호를 전압 신호로 변환하는 전치 증폭기(101)와, 상기 전치 증폭기(101)의 이득을 단계적으로 조절하도록 상기 전치 증폭기(101)의 입력단과 출력단(103) 사이에 병렬로 연결된 다수의 피드백 저항(R1, R2, R3)과, 상기 다수의 피드백 저항(R1, R2, R3)과 상기 전치 증폭기(101)의 출력 단 사이에 각각 연결되어 소정 제어신호(ENABLE)에 따라 온/오프되는 다수의 버퍼 앰프(105, 107, 109)를 구비하여 구성된다.That is, the circuit of FIG. 1 includes a
도 1과 같이 전치 증폭기(101)의 이득을 조절하는 피드백 저항(R1, R2, R3)을 병렬 연결시킨 후 각각의 버퍼 앰프(105, 107, 109)에 제어 신호를 선택적으로 인가하게 되면, 버퍼 앰프(105, 107, 109)는 선택적으로 온/오프 스위칭되어 피드백 저항(R1, R2, R3)의 합산된 저항값을 변화시키게 된다. 그 결과 전치 증폭기(101)의 출력 이득은 피드백 저항(R1, R2, R3)의 저항값에 따라 조절된다. 예를 들면, 두 개의 버퍼 앰프(105, 109)만 도통되도록 제어 신호가 인가되고, 다른 버퍼 앰프(107)는 오프 상태로 된 경우 R2와 버퍼 앰프(107)를 통과하는 라인은 무한대의 저항을 가지므로 전치 증폭기(101)의 이득은 R1과 R3를 병렬 연결한 저항값으로 결정된다.As shown in FIG. 1, when feedback resistors R1, R2, and R3 that adjust the gain of the
그러나 도 1의 이득 조절 장치의 경우 다수의 피드백 저항의 합산된 저항값을 이용하여 이득을 조절하므로 이득 조절이 불연속적(discrete)이다. 즉, 피드백 저항의 개수에 비례하여 이득 조절의 단계가 결정되나 이득 조절의 단계를 세분화하기 위해 피드백 저항의 개수를 증가시키면, 버퍼 앰프의 개수도 비례하여 증가하고, 제어 신호를 생성하기 위해 사용되는 부가 회로(도시되지 않음)도 비례하여 증가하기 때문에 광신호의 세기에 따른 연속적인(선형적인) 이득 조절에 큰 제약이 따른다. However, in the case of the gain control device of FIG. 1, the gain is adjusted by using the summed resistance values of the plurality of feedback resistors, so that gain adjustment is discrete. That is, the stage of gain adjustment is determined in proportion to the number of feedback resistors, but if the number of feedback resistors is increased to subdivide the stage of gain adjustment, the number of buffer amplifiers also increases proportionally and is used to generate a control signal. Since additional circuits (not shown) also increase in proportion, there is a large constraint on the continuous (linear) gain control depending on the intensity of the optical signal.
또한 도 1의 이득 조절 장치는 버퍼 앰프로 인가되는 제어신호를 생성하기 위해서는 전치 증폭기의 출력 전압으로부터 입력 광신호의 크기를 검출하여 이를 처리하는 별도의 회로를 구성하고, 그 처리 결과로 버퍼 앰프를 온/오프 제어하여야 한다. 그러나 이 경우 회로가 복잡해지며 높은 정확도가 요구되므로 마찬가지로 이득 조절 단계를 세분화하기 위해서는 이득 조절 단계 수에 비례하여 제어신호를 생성하는 회로가 추가로 구비되어야 하는 어려움이 있다.In addition, in order to generate a control signal applied to the buffer amplifier, the gain adjusting apparatus of FIG. 1 configures a separate circuit for detecting and processing the magnitude of the input optical signal from the output voltage of the preamplifier. It should be controlled on / off. In this case, however, the circuit becomes complicated and high accuracy is required. Thus, in order to subdivide the gain adjustment step, there is a difficulty in that a circuit for generating a control signal in proportion to the number of gain adjustment steps must be additionally provided.
한편 전치 증폭기의 이득은 피드백 저항의 값으로 결정되는데, 이에 따른 전치 증폭기의 대역폭도 같이 변화하게 된다. 따라서 대역폭과 이득의 곱이 일정하다는 원리에 비추었을 때, 피드백 저항의 전체 값이 커지면 이득이 커지게 되어 대역폭은 줄어들고, 피드백 저항의 전체 값이 작아지면 이득이 작아지게 되어 대역폭은 커진다.Meanwhile, the gain of the preamplifier is determined by the value of the feedback resistor, and the bandwidth of the preamplifier changes accordingly. Therefore, in the light of the principle that the product of the bandwidth and the gain is constant, the larger the total value of the feedback resistor, the larger the gain, and the smaller the total value of the feedback resistor, the smaller the gain, the larger the bandwidth.
따라서 상기의 문제점을 해결하고 이득 증감에 따른 대역폭 증감 비율을 감소시켜 안정된 동작을 수행할 수 있는 전치 증폭기 설계가 요구된다. Accordingly, there is a need for a preamplifier design that can solve the above problems and reduce the bandwidth increase / decrease ratio due to gain increase and decrease to perform stable operation.
본 발명은 종래 기술에서 문제가 되었던 전치 증폭기의 피드백 저항의 조합을 줄이고, 이득 증감에 따른 대역폭 증감 비율을 감소시켜 안정된 동작을 수행할 수 있는 전치 증폭기 회로 및 포토다이오드의 병렬 캐패시터(Capacitor)를 저감하는 방법을 제공하고자 한다. The present invention reduces the combination of the feedback resistor of the preamplifier, which has been a problem in the prior art, and reduces the bandwidth increase / decrease ratio according to the gain increase and decrease, thereby reducing the parallel capacitor of the preamplifier circuit and the photodiode capable of performing stable operation. To provide a way to.
이를 달성하기 위해 본 발명은, 광통신 시스템에서 광수신기용 전치 증폭기 회로에 있어서, 광신호를 입력받아 광전 변환하여 전류 신호를 발생시키는 포토다이오드(PD: Photo Diode)와, 상기 포토다이오드로부터 입력된 상기 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 전치 증폭기(TIA: TransImpedance Amplifier)와, 상기 전치 증폭기의 피드백 저항을 조절하는 자동 이득 조절부와, 상기 포토다이오드의 병렬 캐패시터(Capacitor)의 전류를 저감하는 포토다이오드 병렬 캐패시터 저감부와, 상기 전치 증폭기의 이득 증감에 따른 대역폭 증감 범위를 줄이는 대역폭 조정부를 포함함을 특징으로 하며, In order to achieve this, the present invention provides a photodiode (PD) for receiving an optical signal and generating a current signal by photoelectric conversion in a preamplifier circuit for an optical receiver in an optical communication system, and the current input from the photodiode. A preamplifier (TIA) for converting a signal into a voltage signal, an automatic gain adjuster for adjusting a feedback resistance of the preamplifier, and a photodiode parallel capacitor for reducing current of the parallel capacitor of the photodiode. And a bandwidth adjusting unit for reducing a bandwidth increase / decrease range according to gain increase or decrease of the preamplifier.
상기 자동 이득 조절부는, 상기 전치 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 전치 증폭기의 출력 신호의 로우 레벨(Low level)을 검출하는 버텀 홀드 회로(Bottom Hold)와, 두 개의 입력단을 구비하여 상기 버텀 홀드 회로의 출력 신호를 -입력단에 입력받고 +입력단에 리퍼렌스 전압(Vref)을 입력받아 두 값을 비교하는 비교기와, 각각 상기 전치 증폭기에 병렬로 연결된 제4저항 및 제5저항과, 상기 제4저항 에 직렬로 연결되어 상기 비교기의 출력 신호에 따라 상기 제4저항의 스위칭 동작을 수행하는 제6트랜지스터를 포함함을 특징으로 하며, The automatic gain control unit includes a bottom hold circuit connected to an output terminal of the preamplifier for detecting a low level of an output signal of the preamplifier, and two input terminals, and having two input terminals. A comparator for receiving an output signal at an input terminal and receiving a reference voltage (Vref) at a + input terminal and comparing the two values; a fourth resistor and a fifth resistor connected in parallel to the preamplifier; And a sixth transistor connected in series to perform a switching operation of the fourth resistor according to the output signal of the comparator.
상기 포토다이오드 병렬 캐패시터 저감부는, 상기 포토다이오드의 애노드단에 직렬로 연결된 제1캐패시터와, 상기 제1캐패시터에 직렬로 연결된 제3저항과, 컬렉터단이 전원에 연결되고 베이스단이 상기 제1캐패시터와 제3저항 사이에 연결되고 이미터단이 상기 포토다이오드의 캐소드단에 연결되는 제4트랜지스터를 포함함을 특징으로 하며, The photodiode parallel capacitor reduction unit includes a first capacitor connected in series to an anode end of the photodiode, a third resistor connected in series to the first capacitor, a collector end connected to a power supply, and a base end connected to the first capacitor. And a fourth transistor connected between a third resistor and an emitter terminal connected to a cathode terminal of the photodiode.
상기 대역폭 조정부는, 상기 비교기의 출력 신호에 따라 스위칭 되는 제1트랜지스터와, 전류 미러(current mirror) 회로를 구성하는 제2트랜지스터, 제3트랜지스터 및 제5트랜지스터를 포함함을 특징으로 한다. The bandwidth adjusting unit may include a first transistor switched according to an output signal of the comparator, and a second transistor, a third transistor, and a fifth transistor constituting a current mirror circuit.
본 발명의 실시 예에 따른 전치 증폭기는 포토다이오드(PD: PhotoDiode)의 병렬 캐패시터(Capacitor)를 저감시켜 대역폭을 증가시키게 하고, 자동 이득 조절장치의 피드백 저항 증감에 대해 둔감한 대역폭 변화를 구현할 수 있는 효과가 있다. The preamplifier according to the embodiment of the present invention reduces the parallel capacitor (PD) of the photodiode (PD) to increase the bandwidth, and can realize a bandwidth change insensitive to the increase or decrease of the feedback resistance of the automatic gain control device. It works.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구성하는 장치 및 동작 방법을 본 발명의 실시 예를 참조하여 상세히 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an apparatus and an operation method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기의 회로 구성도이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기 회로는, 입력받은 광신호를 광전 변환하여 전류 신호를 발생시키는 포토다이오드(PD: Photo Diode)와, 상기 포토다이오드로부터 입력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 전치 증폭기(TIA: TransImpedance Amplifier)(211)와, 상기 전치 증폭기(211)의 피드백 저항을 조절하는 자동 이득 조절부와, 상기 포토다이오드의 병렬 캐패시터(Capacitor)의 전류를 저감하는 포토다이오드의 병렬 캐패시터 저감부와, 상기 전치 증폭기의 이득 증감에 따른 대역폭 증감 범위를 줄이는 대역폭 조정부를 포함한다. 2 is a circuit diagram illustrating a preamplifier for an optical receiver according to an embodiment of the present invention. The preamplifier circuit for an optical receiver according to an embodiment of the present invention includes a photo diode (PD) for generating a current signal by photoelectric conversion of an input optical signal, and a voltage signal for a current signal input from the photo diode. A transimpedance amplifier (TIA) 211 for converting the signal into a power amplifier; an automatic gain control unit for adjusting a feedback resistance of the preamplifier 211; and a photodiode for reducing current of a parallel capacitor of the photodiode. And a parallel capacitor reducing unit and a bandwidth adjusting unit for reducing a bandwidth increase / decrease range according to gain increase or decrease of the preamplifier.
도 2를 참조하면, 상기 포토다이오드는 등가 회로로 표현하여, 상기 포토다이오드에서 출력하는 전류를 생성하는 전류원(ipd)과, 상기 전류원(ipd)에 병렬로 연결된 제2캐패시터(Capacitor)(C2)로 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 2, the photodiode is represented by an equivalent circuit, a current source ipd generating a current output from the photodiode, and a second capacitor C2 connected in parallel to the current source ipd. It can be represented as.
상기 자동 이득 조절부는 상기 전치 증폭기(211)의 출력단에 연결되어 상기 전치 증폭기(211)의 출력 신호의 로우 레벨(Low level)을 검출하는 버텀 홀드 회로(BH: Bottom Hold)(212)와, 두 개의 입력단을 구비하여 상기 버텀 홀드 회로(212)의 출력 신호를 -입력단에 입력받고 +입력단에 리퍼렌스(reference) 전압(Vref)을 입력받아 두 값을 비교하는 비교기(Comparator)(213)와, 각각 상기 전치 증폭기(211)에 병렬로 연결된 제4저항(R4) 및 제5저항(R5)과, 상기 제4저항에 직렬로 연결되어 상기 비교기(213)의 출력 신호에 따라 상기 제4저항의 스위칭 동작을 수행하는 제6트랜지스터(TR6)를 포함한다. The automatic gain control unit is connected to an output terminal of the preamplifier 211 and a bottom hold circuit (BH: Bottom Hold) 212 for detecting a low level of the output signal of the preamplifier 211, two
상기 포토다이오드의 병렬 캐패시턴스 저감부는 상기 포토다이오드의 애노드단에 직렬로 연결된 제1캐패시터(C1)와, 상기 제1캐패시터에 직렬로 연결된 제3저항(R3)과, 컬렉터단이 전원에 연결되고 베이스단이 상기 제1캐패시터와 제3저항 사이에 연결되고 이미터단이 상기 포토다이오드의 캐소드단으로 연결되는 제4트랜지스터(TR4)를 포함한다.The parallel capacitance reduction unit of the photodiode has a first capacitor C1 connected in series to the anode end of the photodiode, a third resistor R3 connected in series with the first capacitor, and a collector end connected to a power source and the base A stage includes a fourth transistor TR4 connected between the first capacitor and the third resistor and an emitter terminal connected to the cathode of the photodiode.
상기 전치 증폭기(211) 대역폭 조정부는 상기 비교기(213)의 출력 신호에 따라 스위칭 되는 제1트랜지스터(TR1)와, 전류 미러(curret mirror)회로를 구성하는 제2트랜지스터(TR2), 제3트랜지스터(TR3) 및 제5트랜지스터(TR5)를 포함한다.The preamplifier 211 bandwidth adjusting unit includes a first transistor TR1 switched according to an output signal of the
상기 설명한 전치 증폭기 회로의 구성을 참조하여 전치 증폭기 회로의 동작을 살펴보기로 한다. The operation of the preamplifier circuit will be described with reference to the configuration of the preamplifier circuit described above.
상기 전치 증폭기(211)의 이득은 그 피드백 저항의 값으로 결정된다. 즉, 고정 피드백 저항을 쓰게 되면, 입력 광신호가 큰 경우(Overload)에 일반적으로 전치 증폭기(211) 다음 단인 제한 증폭기(LA: Limiting Amplifier)의 입력 가능 범위를 벗어나게 되어 최종 출력에서 신호의 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서 큰 광신호 입력시에는 전치 증폭기(211)의 피드백 저항값을 줄여서 이득을 낮출 필요가 있다. The gain of the preamplifier 211 is determined by the value of its feedback resistance. In other words, when a fixed feedback resistor is used, when the input optical signal is large (Overload), it is generally outside the input possible range of the limiting amplifier (LA), which is the next stage after the preamplifier 211, so that signal distortion may occur at the final output. Can be. Therefore, when a large optical signal is input, it is necessary to reduce the gain by reducing the feedback resistance value of the preamplifier 211.
이러한 방법으로 본 발명에서는 본 발명의 특징에 따라 일반적으로 (-)이득을 갖는 전치 증폭기(211)의 경우 신호가 입력될 시 그 출력이 직류(DC) 상태보다 낮아진다는 점을 이용하여 전치 증폭기(211)의 출력에 버텀 홀드 회로(212)를 사용하여 신호의 포락선(Envelope, 包絡線)을 검출한다. 즉, 입력된 광신호의 크기가 커질수록 버텀 홀드 회로(212)에 의해 검출된 전압 값은 낮아지게 된다. 따라서 검출된 신호의 크기가 임의의 비교 전압값인 Vref보다 작아지면 비교기는 Logic 'High'를 출력하여 스위치로 사용되는 제6트랜지스터(TR6)를 'ON' 시킨다. 결과적으로 제4저항과 제5저항이 병렬 연결되게 되어 전체 피드백 저항은 두 저항을 병렬 연결한 저항값이 되어 작아진다. 반대로 입력 광신호의 크기가 작은 경우에는 같은 원리로 제6트랜지스터(TR6)가 'OFF'되어 전체 피드백 저항은 제5저항이 된다. In this manner, in the present invention, in the case of the preamplifier 211 having a negative gain in general, the output of the preamplifier 211 is lower than that of the direct current (DC) state when a signal is input. A
요약하면, 작은 광신호 입력시에는 이득은 제5저항으로 하고, 큰 광신호 입력시에는 이득을 제4저항과 제5저항을 병렬 연결한 저항값이 되어, 2 단계(Stage)의 이득 조절 루프(loop)를 형성하게 된다. In summary, when the small optical signal is input, the gain is the fifth resistor, and when the large optical signal is input, the gain is the resistance value obtained by connecting the fourth resistor and the fifth resistor in parallel. will form a loop.
포토다이오드의 병렬 캐패시터(Capacitor)인 제2캐패시터(C2)의 저감부 동작은 하기와 같다. 포토다이오드에 입력된 광신호에 의해 생성된 전류 ipd는 ic2 + ic1 + itia 로 표현되는데, 그 중에 ic1에 직렬로 연결된 제3저항(R3)과 제1캐패시터(C1)의 임피던스를 크게 할 경우 전류 ic1은 무시할 수 있는 수준이 된다. 따라서, ipd = ic2 + itia 로 표현된다. Operation of the reduction unit of the second capacitor C2, which is a parallel capacitor of the photodiode, is as follows. The current ipd generated by the optical signal input to the photodiode is represented by ic2 + ic1 + itia, of which the current is increased when the impedance of the third resistor R3 and the first capacitor C1 connected in series with ic1 is increased. ic1 becomes negligible. Thus, ipd = ic2 + itia.
큰 이득과 대역폭을 얻기 위해서는 ic2를 줄여서 생성된 ipd 대부분의 전류가 itia가 되게 하여 피드백 저항으로 흐르게 하여야 한다. 잘 알려진 대로 캐패시터에 유입되는 전류의 양(△q)은 캐패시터의 크기(C)와 양 단의 전압 변화(△v) 에 비례한다. 즉, △q=C*△v이다. C값은 고정이 되어있으므로 유입되는 전류 양을 줄이기 위해서는 양 단의 전압 변화(△v)를 줄여야 한다. 즉, ic2를 줄이기 위해서는 Va와 Vc의 전압 차를 줄여야 하는데, 상기 Va와 Vc의 관계는 하기의 수학식 1과 같다. 즉, 사용 주파수가 높을수록 Va와 Vb의 전압 차는 줄어든다. 다만 Vc는 트랜지스터 TR4가 Source Follower이므로 gm/(gm+gmb)의 비만큼 Vb보다 작아진다. 따라서 Vc에 Va보다 동일한 위상의 약간 작은 신호가 인가되어 ic2의 값을 현저하게 줄일 수 있다. 따라서 결과적으로 제2캐패시터(C2)의 값을 줄여 주는 기능을 한다.In order to obtain a large gain and bandwidth, we need to reduce ic2 so that most of the generated ipd becomes itia and flows to the feedback resistor. As is well known, the amount of current flowing into the capacitor (Δq) is proportional to the size (C) of the capacitor and the voltage change (Δv) at both ends. That is, Δq = C * Δv. Since the C value is fixed, in order to reduce the amount of current flowing in, it is necessary to reduce the voltage change (Δv) at both ends. That is, in order to reduce ic2, the voltage difference between Va and Vc should be reduced, and the relationship between Va and Vc is shown in Equation 1 below. In other words, the higher the frequency used, the smaller the voltage difference between Va and Vb. However, Vc is smaller than Vb by the ratio of gm / (gm + gmb) because transistor TR4 is a source follower. Therefore, a slightly smaller signal of the same phase than Va is applied to Vc, thereby significantly reducing the value of ic2. Therefore, as a result, the function of reducing the value of the second capacitor (C2).
상기 수학식 1에서 C1은 제1캐패시터의 캐패시터값이고, s는 주파수, R3는 제3저항의 저항값, gm은 트랜스컨덕턴스(Transconductance), gmb는 바디(Body) 트랜스컨덕턴스이다.In Equation 1, C1 is a capacitor value of the first capacitor, s is a frequency, R3 is a resistance value of a third resistor, gm is a transconductance, and gmb is a body transconductance.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기 회로의 등가 회로를 나타내는 회로 구성도이다. 상기 전치 증폭기 대역폭 조정부는 도 4의 등가 회로와 하기의 수학식 2, 수학식 3, 수학식 4를 참조하여 설명한다. 4 is a circuit diagram illustrating an equivalent circuit of a preamplifier circuit for an optical receiver according to an exemplary embodiment of the present invention. The preamplifier bandwidth adjusting unit will be described with reference to the equivalent circuit of FIG. 4 and Equations 2, 3, and 4 below.
상기 수학식 2에서 A는 -(Vout/Vin)이고, s는 복소 주파수(s=jw)이고, 상기 w=2πf임, Rf는 상기 전치 증폭기의 전체 피드백 저항값, Ro는 도 4에 도시한 등가 회로에서 저항 Ro의 저항값이다. In Equation 2, A is-(Vout / Vin), s is complex frequency (s = jw), w = 2πf, Rf is the total feedback resistance value of the preamplifier, and Ro is shown in FIG. The resistance value of the resistor Ro in the equivalent circuit.
상기 수학식 2를 참조하면 포토다이오드에서 발생 되는 전류(ipd)는 itia와 ic2와 ic1의 합과 같다. 그러나 상기에 설명한 대로 ic1은 무시할 수 있는 수준이기 때문에 ipd = itia + ic2가 된다. 이를 상기 수학식 2와 같이 Vout의 함수로 정리한 뒤, 전치 증폭기의 이득(Gain)이 Vout/ipd 임을 이용하여 상기 수학식 2와 같이 입출력 전달 함수를 계산한다. Referring to Equation 2, the current ipd generated in the photodiode is equal to the sum of itia, ic2, and ic1. However, as described above, since ic1 is negligible, ipd = itia + ic2. After arranging this as a function of Vout as shown in Equation 2, the input / output transfer function is calculated as shown in Equation 2 using the gain of the preamplifier as Vout / ipd.
따라서, 분모에서 극 주파수(pole frequency) 즉 이득이 3dB로 떨어지는 주파수를 찾아내면 하기의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다. Therefore, if the denominator in the denominator (pole frequency), that is, the frequency to find the drop to 3dB can be found as shown in Equation 3 below.
상기의 수학식 3에서도 알 수 있듯이 3dB 주파수는 Rf와 Ro에 의존한다. 기 존의 일반적인 전치 증폭기는 이득을 증가시키거나 줄이기 위해 Rf를 조정하면 3dB 주파수는 이에 반비례하여 변화하지만 본 발명에서는 본 발명의 특징에 따라 Ro 라는 변수를 하나 더 가질 수 있게 되어 이를 보완 할 수 있게 된다. As can be seen from Equation 3, the 3dB frequency depends on Rf and Ro. Conventional conventional preamplifiers adjust the Rf to increase or decrease the gain, the 3dB frequency changes inversely, but in the present invention can have one more variable called Ro according to the characteristics of the present invention to compensate for this. do.
상기 수학식 4에서 k'는 u*Cox이고, 상기 u는 이동도(mobility), 상기 Cox는 게이트 산화막의 캐패시턴스임, 상기 W는 트랜지스터 TR4의 채널 폭이고, 상기 L은 트랜지스터 TR4의 채널 길이이다. In Equation 4, k 'is u * Cox, u is mobility, Cox is a capacitance of a gate oxide film, W is a channel width of transistor TR4, and L is a channel length of transistor TR4. .
상기의 수학식 4에 나타낸 바와 같이 Ro는 gm의 역수로 표현되는데, gm을 변화시키기 위해서는 TR4의 바이어스 전류인 i4를 변화시키는 것이 효과적이다. As shown in Equation 4, Ro is expressed by the inverse of gm. In order to change gm, it is effective to change i4 which is a bias current of TR4.
즉, 본 발명의 일 실시 예에서 작은 광신호가 입력되는 경우에는 자동 이득 조절부에서 이득을 키우기 때문에 Rf가 커진다. 따라서, 3dB 주파수가 과도하게 감소하는 것을 방지하기 위해서 Ro를 줄일 필요가 있다. Ro를 줄이기 위해서는 gm을 키워야 하므로 i4를 키우면 된다. That is, in one embodiment of the present invention, when a small optical signal is input, Rf is increased because the gain is increased by the automatic gain adjusting unit. Therefore, it is necessary to reduce Ro in order to prevent the 3dB frequency from being excessively reduced. To reduce Ro, we need to grow gm so i4 can be increased.
상기와 같이 작은 광신호가 입력되는 경우에는 상기 비교기(213)의 출력이 'Logic Low' 이기 때문에 제1트랜지스터(TR1)을 'OFF' 시켜서 제3트랜지스터(TR3)와 제5트랜지스터(TR5)가 둘 다 동작을 하게 된다. 따라서 두 트랜지스터의 크기가 제2트랜지스터(TR2)와 같다고 가정했을 때 전류 미러 회로에 의해 Is 값의 두 배의 전류가 제4트랜지스터(TR4)의 바이어스 전류인 i4 값으로 결정된다. When the small optical signal is input as described above, since the output of the
반대로 큰 광신호가 입력되었을 경우에는 같은 원리로, Ro를 높일 필요가 있다. Ro를 높이기 위해서는 gm을 줄여야 하므로 i4를 줄이면 된다. i4를 줄이기 위해서는, 이 경우에 큰 광신호 입력이 들어왔기 때문에 비교기(213)의 출력이 'Logic High'이기 때문에 제1트랜지스터(TR1)를 'ON' 시켜서 제5트랜지스터(TR5) 게이트에 'Logic Low'가 걸려서 제5트랜지스터(TR5)는 'OFF'가 되어 동작하지 않는다. 따라서, 전류 미러 회로에 의해 Is 값이 제4트랜지스터(TR4)의 바이어스 전류인 i4 값으로 결정된다. On the contrary, when a large optical signal is input, it is necessary to raise Ro by the same principle. To increase Ro, you need to reduce gm, so reduce i4. In order to reduce i4, since a large optical signal input is input in this case, since the output of the
또한 상기에 설명한 방법 이외에 Ro를 변화시키기 위해 트랜지스터의 채널 폭(W) 및 채널 길이(L)를 변화시키는 방법도 사용할 수 있다. In addition to the above-described method, a method of changing the channel width W and the channel length L of the transistor to change Ro may be used.
상기와 같이 본 발명의 특징에 따른 대역폭 조정부의 동작에 의하여 이득 변화에 따른 대역폭 증감 범위를 줄일 수 있게 되어 입력 신호의 세기에 따라 대역폭 변화가 작은 전치 증폭기 설계가 가능해 진다.As described above, the bandwidth increase / decrease range according to the gain change can be reduced by the operation of the bandwidth adjusting unit according to the aspect of the present invention, thereby enabling the design of the preamplifier having a small bandwidth change according to the strength of the input signal.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기의 회로 구성도이다. 3 is a circuit diagram illustrating a preamplifier for an optical receiver according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기 회로는, 입력받은 광신호를 광전 변환하여 전류 신호를 발생시키는 포토다이오드와, 상기 포토다이오 드로부터 입력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 전치 증폭기(311)와, 상기 전치 증폭기(311)의 피드백 저항을 조절하는 자동 이득 조절부와, 포토다이오드의 병렬 캐패시터 저감부와, 전치 증폭기(311) 대역폭 조정부를 포함한다.The preamplifier circuit for an optical receiver according to another embodiment of the present invention includes a photodiode for generating a current signal by photoelectric conversion of an input optical signal, and a preamplifier for converting a current signal input from the photodiode into a voltage signal. 311, an automatic gain adjusting unit for adjusting the feedback resistance of the
도 3에서 도시하는 본 발명의 두 번째 실시 예에서 상기 자동 이득 조절부와 상기 포토다이오드의 병렬 캐패시터 저감부는 도 2에서 설명한 본 발명의 첫 번째 실시 예와 구성과 동작이 동일하기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다. In the second embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3, since the automatic gain control unit and the parallel capacitor reduction unit of the photodiode are the same as the configuration and operation of the first embodiment of the present invention described with reference to FIG. 2, a detailed description thereof is omitted. Let's do it.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 전치 증폭기 대역폭 조정부는 전류 미러 회로를 구성하는 제2트랜지스터(TR2), 제3트랜지스터(TR3)와, 전류 Is가 흐르는 구간 상에 서로 직렬로 연결된 제1저항(R1), 제2저항(R2)과, 상기 비교기(313)의 출력단에 직렬로 연결된 인버터(331)와, 상기 제2저항에 병렬 연결되며 상기 인버터(331)를 거친 비교기(313)의 출력 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 제1트랜지스터를 포함한다. According to another exemplary embodiment of the present invention, the preamplifier bandwidth adjusting unit includes a first resistor R1 connected in series with a second transistor TR2, a third transistor TR3, and a current Is flowing in a current mirror circuit. ), A second resistor R2, an
본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기의 대역폭 조정 동작을 설명하면, 본 발명의 다른 실시 예는 Is를 생성하는데 있어서 고정 저항을 사용하지 않고 제1저항과 제2저항을 직렬로 연결한 후, 인버터(331)가 연결된 제1트랜지스터를 제2저항에 병렬로 연결하여, 큰 광신호 입력시에는 제1트랜지스터가 'OFF' 되어, 제1저항과 제2저항이 연결되어 Is가 작아지고, 작은 광신호 입력시에는 제1트랜지스터가 'ON' 되어, 전류가 제1저항을 지나 제1트랜지스터로 지나기 때문에 Is가 커지게 된다. 이렇게 결정된 Is는 전류 미러 회로에 의해 제4트랜지스터의 바이어스 전류가 된다. 따라서 본 발명의 특징에 따라 이득 변화의 따른 대역폭 증감 범위를 줄일 수 있게 되어 입력 신호의 세기에 따라 대역폭 변화가 작은 전치 증폭기 설계가 가능하다.Referring to the bandwidth adjustment operation of the preamplifier for the optical receiver according to another embodiment of the present invention, another embodiment of the present invention is connected to the first resistor and the second resistor in series without using a fixed resistor in generating Is. After that, the first transistor connected to the
상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 광통신 시스템에서 광수신기용 전치 증폭기 회로의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다.As described above, the configuration and operation of a preamplifier circuit for an optical receiver in an optical communication system according to an embodiment of the present invention can be made. Meanwhile, the above description of the present invention has been described with reference to specific embodiments. It can be carried out without departing from the scope.
도 1은 일반적인 광통신 시스템의 광수신기에 구비되는 이득 조절 장치의 회로 구성도 1 is a circuit diagram of a gain control device provided in an optical receiver of a general optical communication system.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기의 회로 구성도2 is a circuit diagram illustrating a preamplifier for an optical receiver according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기의 회로 구성도3 is a circuit diagram illustrating a preamplifier for an optical receiver according to another embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광 수신기용 전치 증폭기 회로의 등가 회로를 나타내는 회로 구성도4 is a circuit diagram illustrating an equivalent circuit of a preamplifier circuit for an optical receiver according to an exemplary embodiment of the present invention.
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